KR100939448B1 - Electrolytic cell with gas diffusion electrode - Google Patents
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Abstract
본원에는 애노드 구획과 캐소드 구획을 포함하고 2개의 구획 중의 적어도 하나가 가스 공급 전극을 포함하며 다공성 평면 소자가 막과 가스 공급 전극 사이에 중첩되어 있는 막 전해 전지가 기재되어 있다. 화학적으로 부식성인 전해질이 중력의 작용하에 다공성 평면 소자를 가로질러 하방향 유동한다. 평면 소자는 부식성인 작동 조건을 견뎌내는 플라스틱 소자로 이루어진다: ECTFE, PTEFE, FEP, PFA와 같은 과불화 플라스틱은 매우 소수성이기는 하지만 이들을 사용하는 것이 바람직하다. 가스 공급 전극이 캐소드이고 가스가 산소를 함유하는 경우, 수소 축적의 위험이 최소화되도록 가스가 캐소드 구획을 상방향으로 가로지른다. 산소 캐소드가 장착된 전지는 염화나트륨 전기분해에 특히 유리하다. Described herein is a membrane electrolytic cell comprising an anode compartment and a cathode compartment, at least one of the two compartments comprising a gas supply electrode and wherein a porous planar element overlaps between the membrane and the gas supply electrode. Chemically corrosive electrolytes flow downward across the porous planar element under the action of gravity. Planar devices consist of plastic devices that withstand corrosive operating conditions: Perfluorinated plastics such as ECTFE, PTEFE, FEP, and PFA are highly hydrophobic but are preferred to use them. If the gas supply electrode is a cathode and the gas contains oxygen, the gas crosses the cathode compartment upwards to minimize the risk of hydrogen accumulation. Cells equipped with an oxygen cathode are particularly advantageous for sodium chloride electrolysis.
전해 전지, 다공성 평면 소자, 플라스틱 재료, 가스 확산 전극, 애노드 구획, 캐소드 구획, 염화나트륨 전기분해.Electrolytic cells, porous planar devices, plastic materials, gas diffusion electrodes, anode compartments, cathode compartments, sodium chloride electrolysis.
Description
전해 전지에 있어서, 염산 가스와 가성 소다 또는 칼리(potash)를 제조하기 위한 염소-알칼리 전기분해(chlor-alkali electrolysis), 주로 수소를 제조하기 위한 물 전기분해, 황산나트륨으로부터 상응하는 산 및 염기, 예를 들면, 가성 소다 및 황산을 수득하기 위한 염 전기분해, 금속 증착(이중에서 구리 및 아연이 대표적임)과 같은 몇가지 공업적 공정이 실시되고 있다. 이러한 모든 공정들의 본질적 문제는 통상적으로 전체 제조비용의 상당 부분을 차지하는 전기 에너지 소비이다. 전기 에너지는 모든 지리학적 영역에서 비용이 계속해서 증가하는 경향을 특징으로 하기 때문에, 상기한 전기화학적 공정에 있어서 이의 소비를 감소시키는 것이 중요하다는 것은 명백하다. In electrolytic cells, chlor-alkali electrolysis for the production of hydrochloric acid gas and caustic soda or potash, mainly water electrolysis for producing hydrogen, the corresponding acids and bases from sodium sulfate, eg For example, several industrial processes have been carried out, such as salt electrolysis to obtain caustic soda and sulfuric acid, metal deposition (typically copper and zinc). The essential problem with all these processes is electrical energy consumption, which typically accounts for a significant portion of the overall manufacturing cost. Since electrical energy is characterized by an ever-increasing cost in all geographic areas, it is clear that it is important to reduce its consumption in the electrochemical process described above.
전기화학적 공정에서의 에너지 소비는 전지 전압에 주로 좌우된다: 따라서, 보다 많은 촉매 전극을 사용하여, 예를 들면, 전극 사이의 갭을 감소시킴으로써 전지 구조 및 전해질 내에서의 저항 강하를 감소시킨 전지 디자인을 개선하고자 노력하는 이유가 너무나도 명백하다. The energy consumption in the electrochemical process is mainly dependent on the cell voltage: cell design thus reducing the resistance drop in the cell structure and electrolyte, using more catalytic electrodes, for example by reducing the gap between the electrodes. The reasons for trying to improve this are too obvious.
종래의 염소-알칼리 공정의 경우에는, 염화나트륨 용액 또는 덜 빈번하게는 염화칼륨 용액이 애노드 함유 전지에 공급되어, 애노드에서 염소 가스가 방출되고, 반면에 캐소드에서는 수산화나트륨(염화칼륨이 공급되는 경우에는 수산화칼륨) 형성과 동시에 수소가 방출된다. 가장 진보된 형태의 전지에 있어서, 캐소드 부근에 존재하는 가성 소다는 음전하로 하전된 그룹, 예를 들면, 설폰산 및/또는 카복실산 그룹을 함유하는 과불화 중합체로 이루어진 양이온 막에 의해 애노드 영역으로 공급된 염화나트륨 용액과 분리되어 있다. 이러한 막은 여러 회사에서 시판하고 있으며, 이들 중에는 듀퐁(DuPont/USA), 아사히 글래스 앤드 아사히 케미칼(Asahi Glass and Asahi Chemical/Japan)이 있다. 이러한 종류의 전지의 디자인은 깊이 연구되어 왔으며, 당해 기술은 현재 에너지 소비와 관련하여 최상의 상태에 있다고 단언할 수 있다. 이러한 종류의 디자인의 예가 국제 특허공보 제WO 98/55670호에 제공되어 있다. 그러나, 이러한 진보된 전지 유형으로 수득되는 염소 및 가성 소다의 제조비용을 분석해 보면, 에너지 소비의 영향이 여전히 상당한 것으로 나타난다. 이러한 이유로 공통 요소는, 가스 전극, 구체적으로는 앞서 논의된 기술에서 사용되는 수소 방출 캐소드의 대체로서 산소(자체 또는 산소가 풍부한 공기, 또는 간단히 이산화탄소 함량을 제외한 공기)가 공급되는 캐소드를 사용하는 보다 개선된 일련의 제안들이 이루어져 왔다. In the conventional chlor-alkali process, sodium chloride solution or less frequently potassium chloride solution is fed to the anode containing cell, whereby chlorine gas is released at the anode, while at the cathode sodium hydroxide (potassium hydroxide when potassium chloride is supplied) At the same time hydrogen is released. In the most advanced type of cell, caustic soda present near the cathode is fed to the anode region by a cationic membrane consisting of perfluorinated polymer containing negatively charged groups such as sulfonic and / or carboxylic acid groups. Separated from the sodium chloride solution. Such membranes are commercially available from several companies, among them DuPont / USA, Asahi Glass and Asahi Chemical / Japan. The design of this type of cell has been studied in depth and it can be asserted that the technology is currently in the best condition with regard to energy consumption. An example of this type of design is provided in WO 98/55670. However, analyzing the manufacturing costs of chlorine and caustic soda obtained with this advanced cell type, the impact of energy consumption is still significant. For this reason, a common element is to use a gas electrode, specifically a cathode that is supplied with oxygen (self or oxygen rich air, or simply air except carbon dioxide content) as a replacement for the hydrogen emitting cathode used in the techniques discussed above. An improved series of proposals has been made.
산소 함유 가스가 공급되는 캐소드를 포함하는 염소-알칼리 전해 전지는 전형적인 종래의 기술에서보다 본질적으로 훨씬 더 낮은 전기 에너지 소비를 나타낸다. 이러한 사실의 이유는 무엇보다도 열역학적인 성질 때문인데, 두 가지 전지, 종래의 전지 및 산소 캐소드를 포함하는 전지는 이하의 서로 다른 전체 반응을 특징으로 한다:Chlorine-alkaline electrolytic cells comprising a cathode fed with an oxygen containing gas exhibit essentially lower electrical energy consumption than in a typical prior art. The reason for this fact is, among other things, due to its thermodynamic nature, where the two cells, the conventional cell and the cell containing the oxygen cathode, are characterized by the following different overall reactions:
- 종래의 전지 -Conventional battery
2NaCl + 2H2O →2NaOH + Cl2 + H2 2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + Cl 2 + H 2
- 산소 캐소드를 갖는 전지Cells with oxygen cathodes
2NaCl + H2O + ½O2 →2NaOH + Cl2 2NaCl + H 2 O + ½O 2 → 2NaOH + Cl 2
실제로, 4kA/㎡의 전류 밀도가 공급되는 종래의 막 전지의 전압은 약 3V인데 반해, 막과 산소 캐소드가 장착된 전지의 전압은, 동일한 작동 조건에서 작동시킬 경우, 약 2 내지 2.2V인 것으로 관찰된다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이, 약 30%의 전기 에너지 절감이 달성된다(통상적으로, 연료로서 이용되는 수소가 생성되지 않는 것이 이차적으로 중요함). 그러나, 현재, 산소 캐소드가 삽입된 전해 전지는 공업적으로 이용되고 있지 않다. 이러한 상황의 이유는 산소 캐소드의 구조 및 양호한 전체 효율을 보장하기 위해 작동 조건에 부과된 요건에 있다. 간단히 말해서, 산소 캐소드는 다공성 지지체, 바람직하게는 전도성 지지체로 이루어지며, 이 위에는 작동 조건에 대한 내성이 있는 결합제에 의해 기계적으로 안정화된 전기촉매 입자의 조립체에 의해 형성된 미세다공층이 적용되어 있다. 당해 층은 바람직하게는 전도성이지만 비전기촉매성인 입자와 결합제를 포함하는 추가의 필름을 포함할 수 있다. 다공성 지지체는 메쉬, 각종 천공 시트, 카본/흑연 직물, 카본/흑연 종이 또는 소결 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 유형의 전극 및 관련 제작 과정이 미국 특허 제4,614,575호에 기재되어 있다. In fact, the voltage of a conventional membrane cell supplied with a current density of 4 kA /
상기한 바와 같은 전극이 양이온 막에 평행인 위치에서, 막에 직접 접촉된 위치에서 또는 막으로부터 2 내지 3mm의 적당한 갭을 둔 위치에서 염소-알칼리 전기분해에 있어서 산소가 공급된 캐소드로서 사용되는 경우, 전기촉매 입자 상의 산소의 반응에 의해 생성된 가성 소다는 층의 미세공극이 점진적으로 충전되는 것을 피하기 위해 어떻게 해서든 방출시켜야만 한다. 사실상, 이러한 충전이 일어나면, 반응 부위로서 작용하는 촉매 입자에 도달하는 산소가 공극을 통해 더이상 확산되지 못한다. 캐소드 전기촉매 입자에서 형성된 가성 소다의 방출은 필수적으로 2가지 방식으로 일어날 수 있는데, 즉 캐소드가 막에 평행하게 위치하거나 막으로부터 특정 갭을 두고 위치하는 경우에는 막 방향으로 일어나거나, 캐소드가 막 자체와 접촉하는 경우에는 막에 직면한 측과 반대측으로부터 산소 백스페이스 방향으로 일어날 수 있다. When the electrode as described above is used as an oxygenated cathode in chlor-alkali electrolysis at a position parallel to the cationic membrane, at a position in direct contact with the membrane or at a suitable gap of 2-3 mm from the membrane. However, caustic soda produced by the reaction of oxygen on the electrocatalyst particles must be released somehow to avoid progressively filling the micropores of the layer. In fact, when such a charge occurs, oxygen reaching the catalyst particles acting as the reaction site can no longer diffuse through the pores. The release of caustic soda formed from the cathode electrocatalyst particles can occur in essentially two ways: in the direction of the membrane if the cathode is located parallel to the membrane or with a certain gap from the membrane, or the cathode is in the membrane itself And in contact with the membrane may occur in the direction of oxygen backspace from the side facing the membrane.
전자의 경우에, 두께가 2 내지 3mm인 액체 필름이 형성되는데, 이는 통상적으로 상방향 순환하면서 유지되어, 전지에 의해 생성되는 가성 소다를 추출시키고 반응에 의해 자연적으로 생성된 열을 제거시키며 최종적으로 가성 소다 농도를 소정 범위내에서 조절하여 이온 교환 막의 유효 수명을 연장시킬 수 있다. 이러한 상황은 캐소드의 양측에서 가성 소다와 산소 사이의 압력 구배를 확립하는데, 이는 실제로 분리벽으로서 작용한다. 이러한 구배는 양성일 수 있으며(가성 소다의 압력이 산소의 압력보다 높음), 이 경우, 구배는 수압 헤드(hydraulic head)의 작용하에서 상단에서 최하단으로 갈수록 증가한다. 반대로, 구배가 음성일 수도 있으며(산소의 압력이 가성 소다의 압력보다 높음), 이 경우, 구배는 가성 소다의 수압 헤드의 작용하에서 상단에서 하단으로 갈수록 감소한다. 현재 시판중인 재료 및 공지된 제작 과정을 사용하면, [물 기둥(water column)으로서 표현하여] 약 30cm 이하의 압력차를 견딜 수 있는 캐소드를 수득할 수 있다. 이는, 산소 캐소드가 최적으로 작용하도록 하기 위해서는, 산소 캐소드를 수용하도록 고안된 전지의 높이가 30cm를 초과할 수 없기 때문이다. 높이가 보다 크면, 차가 양성인 경우에는 가성 소다에 의해 공극이 전적으로 충전되어 캐소드의 완전 플러딩(flooding)이 발생하고, 차가 음성인 경우에는 가성 소다로의 산소의 손실이 크다. 이러한 사실은, 치수가 작은 전지의 총 갯수가 매우 많아야 하고 보조 장치(전기 커넥션, 도관, 펌프)에 대한 부가 비용이 막대하기 때문에, 특정 규모의 전기분해 플랜트의 경우에 있어서 심각한 문제이다. 수소 방출 캐소드가 장착되어 있는 종래 유형의 공업용 전지는 높이가 통상적으로 1 내지 1.5m임을 고려해야 한다. 상기한 불편을 극복하기 위해, 캐소드가 막으로부터 약 2 내지 3mm 떨어져 있고 전체 높이가 1 내지 1.5m이지만 전지가 다수의 서브유니트로 세분되어 각각 높이가 약 30cm인 구조를 사용하는 것이 제안되었다. 이러한 디자인은 각종 서브유니트 간의 접속 도관에 대한 상당한 복잡성, 및 궁극적으로 작업상의 복잡성과 비용을 수반하여 공업적 용도와는 양립할 수 없다. 또 다른 구조로는 미국 특허 제5,693,202호에 기재된 것이 있다. 여기에는, 전지가 단일 구조를 유지하며 스트립으로 분할된 산소 캐소드가 전지에 장착되어 있는 디자인이 제공된다. 각각의 스트립에 공급되는 산소 압력은 버블링 시스템을 통해 가성 소다의 수압 헤드를 사용하여 자동으로 제어된다. 이러한 종류의 전지는, 상기한 서브유니트 격벽 디자인의 복잡성은 극복하지만, 각 스트립의 수압 및 공기압에 의한 밀봉을 확보해야 할 필요성과 관련하여 본질적으로 복잡성을 나타낸다. 또한, 이는 산소 공급 부족으로 인한 이러한 일시적인 단계에서의 압력 보상의 손실을 피하기 위해, 작동 중단 및 작동 개시에는 특별한 절차가 이용된다. 또 다른 해결책이 유럽 공개특허공보 제0150018 A1호에 예시되어 있으나, 이는 애노드와 캐소드 사이에 격막 또는 이온 교환 막이 개재되어 있을 수 있고, 가스 방출 반응이 일어나는 전극을 습윤시키는 액체의 강하 경막을 갖는 전지에 관한 것이다. 따라서, 유럽 공개특허공보 제0150018 A1호는 실제로 상기한 문제를 해결하기 위한 것이라기 보다는, 본원 명세서의 서두 부분에 명확히 명시되어 있는 바와 같이, 생성된 가스 버블을 가스 버블이 형성되는 반응 액체로부터 방출시키는 것과 관련된 것이다. 액체로부터 가스 버블을 방출시키는 것과 관련된 어려움은, 이온 교환 막에 유해한 애노드와 캐소드 압력 변화, 진동, 부착된 버블의 작용하에서의 전극의 부분적인 차단 및 최종적으로 저항 강하의 증가에 의해 본질적으로 나타난다. 이는 전해질 전기전도성이 가스의 존재하에서 명백히 감소하기 때문이다. 따라서, 유럽 공개특허공보 제EP0150018 A1호의 경우, 전극이 가변적인 두께의 액체 필름으로 완전히 피복되어 있다는 사실은 고려해야할 공정이 가스 버블의 형성 및 액체 상으로부터의 이의 방출이지, 가스의 확산 및 전극 표면에서의 이의 소비(앞에서 알 수 있는 바와 같이, 산소가 공급된 캐소드의 전형적인 문제임)가 아니기 때문에 직접적인 관련성의 문제는 아니다. 또 다른 제안이 유럽 공개특허공보 제EP1033419 A1호 및 국제 공개공보 제WO 01/57290호에 기재되어 있으며, 여기에는 막으로부터 고정된 갭을 갖고 있어 산소 캐소드가 장착된 막의 염소-알칼리 전기분해에 적합한 전지가 기재되어 있다. 가성 소다가 전지의 상부에 공급되어 막 및 캐소드에 의해 한계지워진 갭에서 하방향으로 유동한다. 이 경우에 가성 소다의 유속은 매우 높으며, 이를 실제 관심 수준으로 제한하기 위해 다공층을 막과 캐소드 사이에 도입한다. 또한, 산소도 전지의 상부에 다소 과량으로 공급되며, 가성 소다와 함께 하부로부터 방출된다. 이러한 장치는 가성 소다의 수압 헤드를 동적으로 상쇄시킬 수 있고, 가성 소다와 산소 사이의 압력차를 매우 낮고 일정한 수준으로 유지시킬 수 있으므로 산소 캐소드를 위한 이상적인 작동 조건을 성취할 수 있다. 유럽 공개특허공보 제EP1033419 A1호에 따르면, 다공층은 친수성을 특징으로 한다: 따라서, 실제로, 플라스틱 재료는 배제되며, 한편으로는 미량의 과산화물의 존재에 의해 부식성으로 되는 반응 환경에 대해 매우 내성이 강하지만, 다른 한편으로는 매우 소수성인 과불화 플라스틱 재료가 특히 그러하다. 따라서, 본 발명의 다공층을 제조하는 데에는 전형적으로 친수성인 금속 또는 이의 산화물만을 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 재료는, 농축된 비등 가성 소다와 접촉하면, 이온 교환 막에 의해 흡수되는 금속 이온의 특정한 방출 및 이에 따른 성능 저하, 특히 전지 전압 및 패러데이 효율 측면에서의 성능 저하를 특징으로 한다. 이러한 불편이 진정으로 면제된 유일한 금속은 은이며, 이의 표면은 불침투성의 매우 난용성인 산화물에 의해 작동 조건에서 보호된다: 그러나, 전해 전지 구조에 은의 광범위한 사용은 비용을 수반하므로 공업 분야에서는 거의 지지받지 못하는 것이 분명하다. In the former case, a liquid film with a thickness of 2 to 3 mm is formed, which is typically maintained while circulating upwards to extract the caustic soda produced by the cell and to remove the heat naturally generated by the reaction and finally The caustic soda concentration can be adjusted within a predetermined range to extend the useful life of the ion exchange membrane. This situation establishes a pressure gradient between caustic soda and oxygen on both sides of the cathode, which actually acts as a separating wall. This gradient can be positive (the pressure of caustic soda is higher than the pressure of oxygen), in which case the gradient increases from top to bottom under the action of a hydraulic head. Conversely, the gradient may be negative (the pressure of oxygen is higher than that of caustic soda), in which case the gradient decreases from top to bottom under the action of the hydraulic head of caustic soda. Using commercially available materials and known fabrication procedures, it is possible to obtain cathodes (expressed as water columns) that can withstand pressure differences up to about 30 cm. This is because, in order for the oxygen cathode to function optimally, the height of the cell designed to accommodate the oxygen cathode cannot exceed 30 cm. If the height is larger, the voids are completely filled with caustic soda when the difference is positive, and a full flooding of the cathode occurs. When the difference is negative, the loss of oxygen into the caustic soda is large. This is a serious problem for certain scale electrolysis plants, because the total number of small dimensions cells must be very large and the additional costs for auxiliary devices (electrical connections, conduits, pumps) are enormous. It should be taken into account that conventional types of industrial cells equipped with hydrogen emitting cathodes are typically 1 to 1.5 m in height. In order to overcome the above inconvenience, it has been proposed to use a structure in which the cathode is about 2 to 3 mm away from the membrane and the overall height is 1 to 1.5 m, but the cell is subdivided into a number of subunits, each about 30 cm in height. Such a design is incompatible with industrial applications, with significant complexity for the connection conduits between the various subunits, and ultimately with operational complexity and cost. Another structure is that described in US Pat. No. 5,693,202. This provides a design in which the cell maintains a unitary structure and the cell is equipped with an oxygen cathode divided into strips. The oxygen pressure supplied to each strip is automatically controlled using a hydraulic head of caustic soda through a bubbling system. This type of cell overcomes the complexity of the subunit bulkhead design described above, but presents inherent complexity with regard to the need to ensure the sealing by hydraulic and pneumatic pressure of each strip. In addition, special procedures are used for shutdown and start-up in order to avoid loss of pressure compensation at this temporary stage due to lack of oxygen supply. Another solution is exemplified in EP 0150018 A1, which may have a diaphragm or ion exchange membrane interposed between the anode and the cathode and has a falling film of liquid that wets the electrode where the gas release reaction occurs. It is about. Therefore, EP 0150018 A1 does not actually solve the above problem, but rather releases the generated gas bubbles from the reaction liquid in which the gas bubbles are formed, as clearly stated in the opening part of the present specification. It's about making things happen. Difficulties associated with releasing gas bubbles from the liquid are inherently manifested by anode and cathode pressure changes, vibrations, partial blocking of the electrode under the action of attached bubbles, and finally an increase in resistance, which are detrimental to the ion exchange membrane. This is because electrolyte electroconductivity is clearly reduced in the presence of gas. Thus, in EP EP 0150018 A1, the fact that the electrode is completely covered with a liquid film of varying thickness is a process to consider, the formation of gas bubbles and their release from the liquid phase, the diffusion of gas and the electrode surface. It is not a matter of direct relevance, as it is not its consumption in Essau (as is seen above, which is typical of oxygen supplied cathodes). Another proposal is described in EP 1033419 A1 and WO 01/57290, which have a fixed gap from the membrane and are suitable for chlor-alkali electrolysis of membranes equipped with oxygen cathodes. Batteries are described. Caustic soda is fed to the top of the cell and flows downward in the gap defined by the membrane and cathode. In this case the flow rate of caustic soda is very high and a porous layer is introduced between the membrane and the cathode to limit this to the actual level of interest. In addition, oxygen is also supplied in some excess to the top of the cell and released from the bottom with caustic soda. Such a device can dynamically cancel the hydraulic head of caustic soda and maintain a very low and constant level of pressure difference between caustic soda and oxygen, thus achieving ideal operating conditions for the oxygen cathode. According to EP 1033419 A1, the porous layer is characterized by hydrophilicity: in practice, therefore, the plastic material is excluded and, on the one hand, very resistant to reaction environments which become corrosive by the presence of trace amounts of peroxides. Strong, but very hydrophobic, perfluorinated plastic materials, on the other hand, are especially so. Therefore, only the hydrophilic metal or its oxide can be used to prepare the porous layer of the present invention. Nevertheless, these materials are characterized by the specific release of metal ions absorbed by the ion exchange membrane and, therefore, deterioration in performance, in particular in terms of battery voltage and Faraday efficiency, when contacted with concentrated boiling caustic soda. . The only metal that is truly exempt from this inconvenience is silver, and its surface is protected under operating conditions by an impermeable, very poorly soluble oxide: However, the widespread use of silver in electrolytic cell structures is costly and therefore almost unsupported in the industry. It is clear that we do not receive.
후자의 경우, 막과 직접 접촉하는 산소 캐소드를 사용하여 작동시키는 경우, 예를 들면, 미국 특허 제6,117,286호에 기재되어 있는 바와 같이, 가성 소다 방출은 막에 직면한 측과는 반대의 캐소드의 측에서 산소에 의해 점유된 갭 방향으로만 가능하다. 이 경우, 아래에 열거한 바와 같은 일련의 문제가 제기된다:In the latter case, when operated using an oxygen cathode in direct contact with the membrane, caustic soda release is the side of the cathode opposite to the side facing the membrane, as described, for example, in US Pat. No. 6,117,286. Only in the direction of the gap occupied by oxygen at. In this case, a series of questions arise as listed below:
- 캐소드를 가로질러 강제 유동하는 가성 소다는 공극을 충전하여 산소 확산을 방해하는 경향이 있다. 이러한 불편을 피하기 위해, 캐소드를 스트립으로 분할하고 막과 캐소드 스트립 사이에, 앞서 인용한 유럽 공개특허공보 제EP1033419 A1호에서와 같이 친수성인 다공성 소자를 개재시키면 이를 따라 형성된 가성 소다의 일부가 방출될 수 있음이 제안된 바 있다. Caustic soda, forcedly flowing across the cathode, tends to fill the voids and impede oxygen diffusion. To avoid this inconvenience, the cathode is divided into strips and a portion of the caustic soda formed is released between the membrane and the cathode strip by interposing a hydrophilic porous element such as in EP 1033419 A1 cited above. It has been suggested that it can.
- 산소측에서 방출된 가성 소다는 연속 필름을 형성하는 캐소드 배면을 습윤시켜 산소 확산을 방해하는 특유의 경향을 갖는다. 이러한 유해한 작용을 방지하기 위해서는, 캐소드 배면이 강력하게 소수성일 필요가 있는데, 이는 표면 전기전도성을 저하시킬 수 있고, 이에 따라 전류를 공급하는데 필요한 전기 접촉이 복잡해진다. Caustic soda released on the oxygen side has a unique tendency to wet the backside of the cathode to form a continuous film, impeding oxygen diffusion. In order to prevent this detrimental action, the cathode backing needs to be strongly hydrophobic, which can lower the surface electrical conductivity, which complicates the electrical contact required to supply the current.
- 강제 순환이 존재하는 산소 캐소드의 전자의 경우에 대신 발생하기 때문에, 생성물 가성 소다의 농도는 반드시 반응에 의해 발생하며 소정 제한하에서의 조절이 가능하지 않다. 생성물 가성 소다의 농도값은 약 37 내지 45%이며, 이러한 양은 막을 횡단하여 운반되는 물의 양, 막의 유형에 의존하는 양 및 전류 밀도, 알칼리 클로라이드 용액의 온도 및 농도와 같은 작동 조건에 따라 좌우된다.Since the forced circulation occurs instead in the case of the former of the oxygen cathode, the concentration of the product caustic soda is necessarily generated by the reaction and cannot be controlled under certain limits. The concentration value of the product caustic soda is about 37 to 45%, and this amount depends on the operating conditions such as the amount of water carried across the membrane, the amount and current density depending on the type of membrane, and the temperature and concentration of the alkali chloride solution.
시판되는 이온 교환 막은 비교적 단시간 동안에라도 농도가 35% 이상인 가성 소다와 접촉시키는 경우에 불가피하게 열화된다. 따라서, 알칼리 클로라이드 농도가 감소함에 따라 운반되는 물의 양은 증가하는 것으로 공지되어 있기 때문에, 막과 직접 접촉시켜 산소 캐소드를 갖는 전지를 알칼리 클로라이드의 희석 용액으로 작동시키는 것이 제안된 바 있다. 그럼에도 불구하고, 알칼리 클로라이드의 농도가 너무 낮으면 막 효율이 불량해지고 염소 중의 산소 비율이 증가하며 애노드의 작동 수명을 단축시킬 수 있기 때문에, 이러한 요인에 의해 허용되는 작업의 융통성은 제한된다. 이러한 이유로, 추가의 수단으로서, 전지의 작동 온도와 유사한 온도에서 산소를 수증기로 포화시키는 것이 제안된 바 있다; 캐소드의 공극을 횡단하여 수증기가 확산함으로써 가성 소다 농도를 막에 허용 가능한 값에 가깝도록 저하시킬 수 있다. 그러나, 이러한 작용은 단지 부분적으로 효과적인 뿐인데, 그 이유는 캐소드의 배면으로부터 방출된 가성 소다에 의해 수증기의 일부가 흡수되기 때문이다. Commercially available ion exchange membranes inevitably degrade when contacted with caustic soda having a concentration of at least 35% even for a relatively short time. Therefore, since the amount of water transported is known to increase as the alkali chloride concentration decreases, it has been proposed to operate a cell with an oxygen cathode in direct contact with the membrane to operate with a dilute solution of alkali chloride. Nevertheless, too low a concentration of alkali chlorides limits the flexibility of the operation allowed by these factors, because the membrane efficiency is poor, the oxygen ratio in chlorine increases and the operating life of the anode can be shortened. For this reason, as a further means, it has been proposed to saturate oxygen with water vapor at a temperature similar to the operating temperature of the cell; By spreading water vapor across the pores of the cathode, the caustic soda concentration can be reduced to a value close to the acceptable value for the membrane. However, this action is only partially effective because part of the water vapor is absorbed by the caustic soda released from the back of the cathode.
본 발명의 목적은 현존 기술의 단점이 없는 가스 확산 전극이 장착된 전해 전지 구조를 제공하는 것이다. 염소-알칼리 전기분해의 공업적 관련성을 고려하여, 이러한 용도에 적합한 전지에 대해 아래에 언급할 것이며, 본 발명은 또다른 전기화학적 공정, 예를 들면, 알칼리 설페이트의 전기분해(애노드 구획에 설페이트 함유 용액을 공급하고 상대 가스 확산 애노드에 수소를 공급함), 과산화수소 생성(캐소드 구획에 알칼리 용액을 공급하고 상대 가스 확산 캐소드에 산소를 공급함), 알칼리성 연료 전지를 사용한 전기 에너지 생성(수소 및 산소가 공급되는 가스 확산 전극이 둘 다 제공되어 있는 두 개의 구획에 알칼리 전해질을 공급함)에 유리하게 적용될 수 있음이 자명하다. It is an object of the present invention to provide an electrolytic cell structure equipped with a gas diffusion electrode without the disadvantages of existing technology. Given the industrial relevance of chlor-alkali electrolysis, a cell suitable for this application will be mentioned below, and the present invention further relates to another electrochemical process, for example electrolysis of alkaline sulphate (containing sulfate in the anode compartment). Solution and supply hydrogen to the counter gas diffusion anode, hydrogen peroxide production (alkali solution to the cathode compartment and oxygen to the counter gas diffusion cathode), and electrical energy generation (hydrogen and oxygen supplied using an alkaline fuel cell) It is apparent that the gas diffusion electrode can be advantageously applied to the supply of an alkaline electrolyte to two compartments in which both are provided.
본 발명의 전지 구조는 이온 교환 막에 의해 압축된 산소 캐소드, 캐소드와 막 사이에 개재되어 있고 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이 가성 소다의 하방향 유동에 의해 교차되는 다공성 평면 소자(porous planar element)를 포함하며, 이러한 다공성 평면 소자의 구성 재료는 탄화수소 플라스틱 재료, 예를 들면, 폴리에틸렌, 특히 고밀도 폴리에틸렌의 그룹으로부터 선택되고, 바람직하게는 과불화 플라스틱 재료(예를 들면, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 ECTFE, 폴리테트라플루오로에틸렌 PTFE, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 FEP, 퍼플루오로알콕시 중합체 PFA)의 그룹으로부터 선택되며, 이들은 고온에서도 높은 기계적 내성을 갖고 미량의 과산화물의 존재하에서도 고농도 가성 소다에 대해 상당히 화학적 불활성을 갖고, 따라서 막을 유해하게 오염시키지 않는다는 특징적인 차이가 있다. 이러한 재료들은 모두 매우 소수성이며, 따라서 이들의 사용은 친수성이 필수적인 특성인 선행 기술에 의해 제안된 것과는 매우 상반된다. The cell structure of the present invention is a porous planar element interposed between oxygen cathode compressed by ion exchange membrane, cathode and membrane and intersected by downward flow of caustic soda as is known in the art. Material of the porous planar element is selected from the group of hydrocarbon plastic materials, for example polyethylene, in particular high density polyethylene, preferably perfluorinated plastic materials (for example ethylene-chlorotrifluoro Ethylene ECTFE, polytetrafluoroethylene PTFE, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene FEP, perfluoroalkoxy polymer PFA), which have high mechanical resistance at high temperatures and high concentrations in the presence of trace peroxides Has a fairly chemical inertness against caustic soda and thus a membrane There are characteristic differences does not deleteriously pollution. All of these materials are very hydrophobic, so their use is very contrary to that suggested by the prior art, where hydrophilicity is an essential property.
바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 추가의 특징은 전지의 하부에 산소 함유 가스가 공급된다는 것이다: 이러한 방법으로, 상승하는 가스 유동이 산소 소비 반응의 부산물로서 소량 형성되는 수소를 대신하므로 유동이 없는 영역에 축적되는 위험을 피할 수 있다. 전해 전지가 높은 전류 밀도에서 작동하는 경우에 수소가 나타나며, 촉매 활성의 불가피한 자연적인 쇠퇴의 결과로서 캐소드의 작동 수명이 보다 길어진다. According to a preferred embodiment, a further feature of the present invention is that an oxygen-containing gas is supplied to the bottom of the cell: in this way, an area where there is no flow since the rising gas flow replaces hydrogen being formed in small quantities as a byproduct of the oxygen consumption reaction. The risk of accumulation in the can be avoided. Hydrogen appears when the electrolytic cell operates at high current densities, resulting in a longer operating life of the cathode as a result of the inevitable natural decline of catalytic activity.
높은 공업적 관련성의 이러한 결과를 수득하는 방법은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 본 발명의 상세한 설명에서 명확해질 것이다. The method of obtaining this result of high industrial relevance will become apparent in the following detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 전지의 측면도이다. 1 is a side view of the battery of the present invention.
도 2는 바람직한 양태에 따르는 본 발명의 전지의 정면도이다. 2 is a front view of a battery of the present invention according to a preferred embodiment.
도 3은 또 다른 바람직한 양태에 따르는 본 발명의 전지의 정면도이다. 3 is a front view of a battery of the present invention according to another preferred embodiment.
공업용 전해조 및 연료 전지는 바람직하게는 수압적 및 전기적으로 접속하여 이들이 서로 압축되어 모듈식 배치를 형성하는 다수의 기본 전지(elementary cell)로 이루어지는 것이 당해 분야의 전문가들에게 공지되어 있다; 이러한 전기적 접속은 단극(molopolar) 또는 쌍극(bipolar) 유형일 수 있다. 또한, 이에 따라, 본 발명의 전지는 모듈식 전해조 또는 연료 전지의 반복 소자 중의 하나를 구성하는 데에도 적합하다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 전지(1)는 2개의 쉘, 애노드 쉘(2)과 캐소드 쉘(7)에 의해 형성되며, 염소-알칼리 전해조의 경우, 이는 바람직하게는 각각 티탄 및 니켈로 구성된다. 2개의 쉘은 도면에는 제시되어 있지 않은 타이-로드(tie-rod) 또는 잭(jack)에 의해 또는 선행 기술의 임의의 다른 시스템에 의해 상호 고정되어 있으며, 2개의 구획, 애노드 구획 및 캐소드 구획의 세퍼레이터로서 작용하는 양이온 막(16)을 둘러싸고 있다. It is known to those skilled in the art that industrial electrolyzers and fuel cells preferably consist of a plurality of elementary cells, which are hydraulically and electrically connected so that they are compressed together to form a modular arrangement; This electrical connection can be of the monolo or bipolar type. In addition, the battery of the present invention is also suitable for constituting one of the repeating elements of a modular electrolytic cell or a fuel cell. Referring to FIG. 1, the
염소-알칼리, 구체적으로는 나트륨 염소 전기분해에 사용되는 양이온 막은 주쇄에 설폰산 그룹[애노드(3)에 직면한 측]과 카복실산 그룹[캐소드(10)에 직면한 측]이 삽입되어 있는 과불화 중합체로 이루어진다. 내부 옴 저항이 낮고 높은 전류 밀도, 전형적으로 3 내지 5kA/㎡에서도 작동 가능함을 특징으로 하는 이러한 유형의 막은 듀퐁, 아사히 글래스 및 아사히 케미칼에서 각각 나피온(Nafion)R, 플레미온(Flemion)R 및 악시플렉스(Aciplex)R라는 상품명으로 제공되고 있다. 염소, 산소, 염화나트륨 용액 및 가성 소다가 외부 환경으로 방출되는 것을 피하기 위해 필요한 주위 밀봉(peripheral sealing)은 주변 개스켓(8)에 의해 보장된다. 애노드 쉘(2)은 애노드(3)를 함유하며, 개구부가 있는 티탄 시트, 예를 들면, 백금족 금속 또는 이의 혼합된 산화물을 기본으로 하고 또한 밸브 금속(특히, 티탄)의 산화물을 함유하는, 염화물로부터 염소를 방출시키기 위한 전기촉매층이 제공되어 있는 연신되거나 천공된 시트로 구성된다. 애노드(3)는 전류를 쉘 자체의 벽에서 애노드로 전송하는 지지체(4)에 의해 쉘(2)에 고정되어 있다. 개구부가 있는 금속 호일, 예를 들면, 금속 메쉬, 연신되거나 천공된 시트로 구성되고, 바람직하게는 최적 전기 접촉을 위해 은 또는 대체적으로 은으로 피복된 니켈, 스테인레스 강 또는 니켈 합금으로 이루어진 캐소드 전류 배전기(11)는 지지체(12)를 통해 캐소드 쉘(7)에 고정되어 쉘 자체와 배전기의 표면 사이에 전류 전송이 용이하도록 한다. 전류 배전기는 바람직하게는 개구부가 제공되어 있는 보다 두꺼운 제1 전도성 호일로서, 치수가 보다 작은 개구부가 있는 제2 호일이 중첩되어 이루어지며, 여기서 제2 호일은 산소 확산 캐소드와 접촉하게 된다. 배전기(11)와 막(16) 사이에는, 본 발명의 산소 공급 캐소드(10)와 소수성 평면 소자(9)가 각각 전류 배전기 측면 및 막 측면에 삽입된다. 산소 캐소드는, 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이 적당한 결합제에 의해 안정화된 전기촉매 입자가 다공성 전도성 지지체에 적용되어 이루어진다. 전기촉매 입자의 촉매는 백금족 금속, 주로 백금, 이의 산화물, 설파이드, 보다 일반적으로는 이의 칼코게나이드(chalcogenide), 피로클로르(pyrochlore)(특히 루테늄 피로클로르), 은 및 금이다. 이러한 주제에 대한 과학적 지식을 흥미롭게 분석한 것이 문헌[참조: book Electrochemical Hydrogen Technologies, edited by H. Wendt, Elsevier, 1990, Cap. 3 "Electrocatalysis of the Cathodic Oxygen Reduction", K. Wiesener, D. Ohms]에 보고되어 있다. 이러한 촉매는 임의로 혼합되어 괴상 분말로서 사용될 수 있으며, 층내에서의 횡단 전기전도성을 증가시키고 사용되는 촉매의 양을 감소시키기 위한 이중의 목적으로 흑연 분말을 임의로 첨가하면 성능과 비용 사이의 최적의 타협이 달성된다. 후자의 목적은, 예를 들면, 당해 분야의 전문가들에게 널리 공지되어 있는 샤비니간 아세틸렌 블랙(Shawinigan Acetylene Black, 이하 SAB라고 함) 또는 불칸(Vulcan) XC-72라는 상품명으로 캐보트 코포레이션(Cabot Corp.)에서 시판되는 것과 같이 부분적으로 임의로 흑연화된 탄소와 같은 촉매 활성을 갖지 않는 전도성 재료 상에 지지된 촉매를 사용함으로써 달성할 수도 있다. Cationic membranes used for chlor-alkali, specifically sodium chlorine electrolysis, are perfluorinated with sulfonic acid groups (sides facing the anode 3) and carboxylic acid groups (sides facing the cathode 10) in the main chain. It consists of a polymer. Membranes of this type, characterized by low internal ohmic resistance and high current densities, typically even from 3 to 5 kA /
산소를 사용하여 작동시키기에 적합하고 상기한 재료가 삽입되어 있는 캐소드 및 관련 제작방법이 특허 문헌, 예를 들면, 미국 특허 제4,614,575호 및 제5,584,976호에 기재되어 있다. Cathodes and related fabrication methods suitable for operation using oxygen and in which the above materials have been inserted are described in patent documents such as US Pat. Nos. 4,614,575 and 5,584,976.
소수성 평면 소자의 종류(공극 용적률, 평균 공극 직경 크기, 두께) 및 가성 소다 유속을 정확하게 선택하면 당해 기술분야에 공지된 다음과 같은 결과를 성취할 수 있다: 즉, 중력에 의해 평면 소자 내부에서 하방향 유동하는 가성 소다의 압력을 균등화시키고, 가성 소다와 산소 사이에 존재하는 양의 또는 음의 압력차를 상당히 감소시키며(이는 산소 캐소드 구조를 별로 중요하지 않게 함) 및 막과 접촉하는 가성 소다의 농도를 30 내지 35%의 최적 범위내로 조절하여, 가성 소다 유동의 열 제거 가능성으로 인해 성능을 보다 양호하게 하고 막 유효수명을 보다 길게 할 수 있다. Accurately selecting the type of hydrophobic planar element (pore volume fraction, average pore diameter size, thickness) and caustic soda flow rate can achieve the following results known in the art: that is, gravity causes Equalizes the pressure of the caustic soda flowing in direction and significantly reduces the positive or negative pressure difference present between the caustic soda and oxygen (which makes the oxygen cathode structure insignificant) and the caustic soda in contact with the membrane. By adjusting the concentration within an optimum range of 30 to 35%, the performance of the caustic soda flow can be removed better, resulting in better performance and longer membrane life.
평면 소자의 형태는 매우 다양할 수 있다. 비제한적인 예로서, 발포체, 바람직하게는 연속 기포를 갖는 발포체, 와이어가 편직된 코일로 구성된 매트리스, 교차되고 중첩된 와이어로 이루어진 층에 의해 형성된 평면 메쉬, 엮어진 와이어로 이루어진 평면 메쉬, 돌출된 영역과 움푹 들어간 영역을 갖는 표면이 만들어지도록 형상화된 와이어로 이루어진 메쉬를 언급할 수 있다. 평면 소자는 이러한 부재 중의 단지 하나로만 이루어지거나 중첩된 부재들의 조립체로 이루어질 수 있다.The shape of the planar element can vary widely. As a non-limiting example, a foam, preferably a foam having continuous bubbles, a mattress consisting of coils in which the wire is knitted, a flat mesh formed by layers of intersected and overlapping wires, a flat mesh made of woven wires, protruding Mention may be made of a mesh of wires shaped to make a surface with regions and depressions. The planar element may consist of only one of these members or of an assembly of overlapping members.
각종 구성 소자를 갖는 쉘(2,7)이 단단히 죄어져 있는 경우에 전류 배전기의 지지체(12)가 편향되고 이에 탄성이 부여되어 있으면, 막-평면 소자-산소 캐소드-전류 배전기 사이의 긴밀한 접촉을 보장하기 위해 필요한 압축력은 기계적으로 확보될 수 있다. 또는, 필요한 탄성은, 지지체(12)가 경질인 경우, 탄성이 있는 부재, 예를 들면, 코일 또는 물결 모양의 층으로 이루어진 전도성 매트리스가 평면 소자-산소 확산 캐소드-전류 배전기 조립체에 부가된 후에 성취될 수 있다. 필요한 압축력은 캐소드 쉘(7) 내부보다 더 높은 애노드 쉘(2) 내부 압력을 유지하면서 최종적으로 수득될 수 있다. 이러한 보다 높은 압력은 막을 소수성 평면 소자-산소 캐소드-전류 배전기의 조립체 쪽으로 밀어내어(이 경우에 이의 지지체(12)는 경질이다), 각종 계면의 전체 범위에 걸쳐 효과적인 접촉이 이루어진다. 작동 동안, 전류 발생기의 양극과 음극은 각각 애노드 쉘(2)과 캐소드 쉘(7)에 접속하며, 새로운 염화나트륨 용액이 노즐(5)로 공급되고, 소모된 염화나트륨 용액과 생성물인 염소가 노즐(6)으로부터 추출되며, 새로운 가성 소다 용액이 배전기(13), 예를 들면, 천공된 튜브를 통해 주입되어 평면 소자(9)를 종방향으로 하방향 횡단하고, 주입된 가성 소다와 캐소드(10)에서 생성된 가성 소다에 의해 형성된 혼합물로 이루어진 산소 반응의 영향하에 수득된 가성 소다 용액이 노즐(15)로부터 방출된다. When the
본 발명은, 첫번째 혁신적인 특징으로서, 막과 산소 캐소드 사이에 삽입된 다공성 평면 소자가 고도로 불활성인 플라스틱 재료, 바람직하게는 과불화 유형의 플라스틱 재료로 이루어져 높은 소수성을 특징으로 하고, 바람직한 양태에서, 두번째 혁신적인 특징으로서, 캐소드에 공급되는 총 전류에 의해 소요되는 양에 대해 10 내지 20% 과량으로 하부 노즐(17)(또는, 경우에 따라, 생성물 가성 소다를 방출하기 위해 사용되는 동일한 노즐(15))에 공급되기 때문에, 산소(또는 산소 함유 가스)가 상방향 유동하고, 과량이 상부 노즐(14)로부터 배출된다. The present invention, as a first innovative feature, is characterized in that the porous planar element inserted between the membrane and the oxygen cathode consists of a highly inert plastic material, preferably a plastic material of the perfluorinated type, characterized by high hydrophobicity, and in a preferred embodiment, the second As an innovative feature, the lower nozzle 17 (or, in some cases, the
평면 소자를 제조하기 위해 선행 기술에서 고려되었던 재료는 친수성 유형의 재료이다: 캐소드 공극을 통한 누출에 의해 발생한 산소 버블이 평면 소자의 내면에 영구적으로 부착하는 것을 방지하기 위해 가성 소다에 의한 습윤성이 필요한 것으로 생각되기 때문에 이러한 특성이 도입된 것으로 여겨진다. 이러한 환경에서, 기상에 의해 방해된 전류 흐름이 액체가 점유하는 영역에 농축되어 결과적으로 전지 전압이 증가하는 것이 자명하다. 플라스틱 재료는 일반적으로 전형적으로 소수성이기 때문에, 친수성은 평면 소자의 제조에 사용될 수 있는 재료의 선택을 필수적으로 금속 및 금속 산화물로 제한한다. 예를 들면, 가성 소다 용액의 표면 장력을 80dyne/cm라고 가정하면, 검지된 접촉각은 PTFE의 경우 130°, 파라핀의 경우 120°, 폴리에틸렌의 경우 105°이다. 반대로, 친수성 재료는 접촉각이 90°미만임을 특징으로 하는 것으로 공지되어 있다: 금속 표면은 일반적으로 완전히 습윤 가능한 것으로 간주되며, 사실상 이들은 가성 소다와의 접촉각이 0°에 가깝다. 이론적 견지에서, 완전한 습윤성이 평면 소자가 액체에 의해 완전히 점유되었다는 충분한 근거를 제공한다면, 이러한 습윤성을 성취하기 위해 부여되어야 하는 금속 또는 금속 산화물은 미량의 과산화물을 함유하는 비등 가성 소다의 존재하에서 일반적으로 충분히 안정하지 않은 것이 사실이다. 여기서, 불충분한 안정성이란, 평면 소자가 비교적 짧은 작동 시간내에 구조적으로 파괴되는 것을 의미하는 것은 아니며, 느리기는 하지만, 막 중합체를 오염시켜 금속 이온의 방출이 일어나고, 이에 의해 실질적인 견지에서 허용할 수 없는 시간내에 성능 저하를 가져올 수 있음을 의미한다. 이러한 작용이 없는 것으로 생각되는 유일한 금속은 은이며, 충분히 불침투성이고 불용성인 이의 보호적 산화물은 막을 손상시키지 않는 정도로 금속 이온의 방출을 저하시킨다. 그러나, 은을 사용한 평면 소자의 제조는 광범위한 산업적 생산에서 유지될 수 없는 제조비용을 수반한다. 또한, 은 층으로 피복된 스테인레스 강 또는 니켈과 같은 다른 금속의 사용도 해결책을 제시하지는 못한다: 사실상, 평면 소자는 막과 직접 접촉하기 때문에, 이온 방출이 극히 낮은 수준으로 유지되어야 하는데, 이는 고가의 절차에 의해 수득할 수 있는 두꺼운 층에 의해서만 보장될 수 있다. 평면 소자의 중요도는 사실상 전류 배전기(도 1의 11)보다도 분명히 더 높은데, 막 표면으로부터 상당히 분리되어 있는 전류 배전기는 얇고 다소 저가의 은 층으로 피복된 금속으로 이루어질 수 있다: 은 층의 불가피한 다공성으로 인해 비(卑)금속으로부터 소정량의 이온이 방출되며, 막을 기준으로 한 전류 배전기의 위치를 고려하면, 이는 어쨌든 허용가능하다. 결과적으로, 평면 소자의 제조를 위해 친수성 재료를 사용할 것을 권장하고 있는 선행 기술의 교시로부터 보면, 평면 소자를 위해 플라스틱 재료, 특히 상기한 바와 같이 높은 접촉각 및 이에 따른 고도의 소수성을 특징으로 하는 과불화 플라스틱 재료를 사용함으로써 매우 만족스러운 결과가 입수된다는 본 발명의 사실은 특히 놀라운 것이다. 이러한 플라스틱 재료는 그 자체로 사용될 수 있거나, 예를 들면, 두께 0.2 내지 0.3mm로 탄소 강, 스테인리스 강, 니켈 합금으로 제조된 금속성 평면 소자에 도포되는 비다공성 피막으로서 사용될 수 있다. 상기한 재료를 특징지우는 소수성으로 인해, 평면 소자 구조내에 포획되는 산소 버블은 본질적이어야 하며, 이에 의해, 본 발명의 평면 소자가 장착된 전지의 전압은, 친수성 특성을 지닌 평면 소자를 사용하는 유럽 공개특허공보 제EP1033419 A1호에 기재되어 있는 바에 따라 실현되는 등가의 전지에서 전형적인 전압보다 분명히 더 높아야 한다. 어떠한 방법으로든 본 발명을 제한하지 않으면서, 평면 소자에 바로 인접한 위치에 캐소드가 존재하는 결과로서, 포획된 버블로 인해 기대되는 부정적인 효과가 일어나지 않을 수 있다: 캐소드는 사실상 산소를 흡수하도록 고안된 전극이며, 이러한 작용 덕분에, 완전하지 않지만 확실히 실제적인 방식으로 평면 소자에 존재할 수 있는 산소 버블을 소비할 수 있다. 따라서, 이러한 이론적 가설이 본질적으로 실제에 상응하는 경우, 본 발명에 따르는 산소 캐소드-소수성 평면 소자 조합을 어떻게 사용하면, 적어도 선행 기술에 기재되어 있는 산소 캐소드-친수성 평면 소자 커플링에 의해 수득되는 것과 동일한 결과를 갖게 될 것인가를 이해할 수 있다. 이러한 결론은 실시예 1에 기재되어 있는 실험에 의해 적절하게 지지되는데, 여기에는 또한 본 발명에 따라 실현된 전지의 작동 안정성이 이례적으로 높다는 것을 입증한다. 이러한 산업적 관련성이 큰 결과는 평면 소자의 제조에 바람직한 용액으로서 사용되는 과불화 재료의 화학적 불활성으로부터 유도되는 것으로 보인다. 화학적 불활성은 연장된 작동 시간 후에도 막을 오염시킬 수 있는 성분의 방출을 방지한다. 동일한 실시예 1에 기재되어 있는 실험은 선행 기술의 교시 사항에 따라 금속으로 이루어진 친수성 평면 소자를 사용하여 제조한 전지가, 전지 전압의 느린 증가에 의해 악영향을 받으며, 이러한 악영향은 은 층, 심지어 두께가 균일한 은 층을 비금속에 적용하더라도 해결되지 않는다. 평면 소자가 순수한 은으로 이루어진 경우에만 전지 전압의 안정성은 본 발명의 전지 중의 하나에 필적하는 것으로 입증된다. 추가의 잇점으로서, 과불화 플라스틱은 공지된 바와 같이 염소-알칼리 전기분해에서 전형적인 80 내지 90℃의 온도 범위에서도 우수한 기계적 특성을 특징으로 한다. 따라서, 평면 소자는 이의 모양을 이전과 똑같이 유지하며, 특히 공극 용적 대 점유된 용적의 비와 공극률 둘 다와 관련되며, 앞서 예시한 바와 같이 탄성 지지체 또는 막-평면 소자-산소 캐소드-전류 배전기 조립체를 긴밀하게 접촉시키기 위해 사용되는 압력차에 의해 압착되지 않는다. Materials considered in the prior art for the manufacture of planar devices are materials of the hydrophilic type: wettability by caustic soda is required to prevent the oxygen bubbles generated by leakage through the cathode voids from permanently adhering to the inner surface of the planar device. It is believed that this property was introduced because it is believed. In this environment, it is apparent that the current flow interrupted by the gas phase is concentrated in the area occupied by the liquid, and consequently the battery voltage increases. Since plastic materials are typically hydrophobic in general, hydrophilicity essentially limits the choice of materials that can be used in the manufacture of planar devices to metals and metal oxides. For example, assuming a surface tension of caustic soda solution of 80 dyne / cm, the detected contact angle is 130 ° for PTFE, 120 ° for paraffin and 105 ° for polyethylene. In contrast, hydrophilic materials are known to be characterized by a contact angle of less than 90 °: metal surfaces are generally considered completely wettable, in fact they have a contact angle of caustic soda close to 0 °. From a theoretical standpoint, if complete wettability provides sufficient evidence that the planar element is completely occupied by the liquid, the metal or metal oxide that must be imparted to achieve this wettability is generally in the presence of boiling caustic soda containing trace amounts of peroxide. It is true that it is not stable enough. Insufficient stability here does not mean that the planar element is structurally destroyed within a relatively short operating time and, although slow, contaminates the membrane polymer and releases metal ions, which is unacceptable in practical terms. This means that performance can be degraded in time. The only metal believed to be without this action is silver, and its protective oxide, which is sufficiently impermeable and insoluble, degrades the release of metal ions to the extent that it does not damage the membrane. However, the production of planar devices using silver involves manufacturing costs that cannot be maintained in a wide range of industrial production. In addition, the use of other metals, such as stainless steel or nickel coated with a silver layer, does not provide a solution: in fact, because planar devices are in direct contact with the membrane, ion emission must be kept at extremely low levels, which is expensive. Only a thick layer obtainable by the procedure can be ensured. The importance of the planar element is indeed significantly higher than the current distributor (11 in FIG. 1), where the current distributor, which is significantly separated from the membrane surface, can consist of a thin, somewhat inexpensive layer of silver coated metal: due to the inevitable porosity of the silver layer This results in a certain amount of ions being released from the base metal, which is acceptable anyway, given the location of the current distributor relative to the membrane. As a result, from the teachings of the prior art, which recommends the use of hydrophilic materials for the manufacture of planar devices, perfluorinated plastic materials for planar devices, in particular characterized by high contact angles and thus high hydrophobicity, as described above. The fact of the present invention is particularly surprising that very satisfactory results are obtained by using plastic materials. Such plastic materials can be used by themselves or can be used, for example, as non-porous coatings applied to metallic planar elements made of carbon steel, stainless steel, nickel alloys with a thickness of 0.2 to 0.3 mm. Due to the hydrophobic characterizing the above materials, the oxygen bubbles trapped in the planar element structure must be intrinsically so that the voltage of the cell on which the planar element of the present invention is mounted is a European publication using planar elements with hydrophilic properties. It should be clearly higher than the typical voltage in an equivalent cell realized as described in patent EP 1033419 A1. Without limiting the invention in any way, as a result of the presence of the cathode in the immediate vicinity of the planar element, the expected negative effect may not occur due to the trapped bubbles: the cathode is in fact an electrode designed to absorb oxygen This action makes it possible to consume oxygen bubbles that may be present in the planar element in a less complete but certainly practical manner. Thus, if this theoretical hypothesis corresponds essentially to practicality, how to use the oxygen cathode-hydrophobic planar element combination according to the present invention is at least equivalent to that obtained by the oxygen cathode-hydrophilic planar element coupling described in the prior art. Understand if you will have the same results. This conclusion is appropriately supported by the experiments described in Example 1, which also demonstrates that the operational stability of the cells realized according to the invention is exceptionally high. This industrially relevant result appears to be derived from the chemical inertness of the perfluorinated material used as a preferred solution for the manufacture of planar devices. Chemical inertness prevents the release of components that may contaminate the membrane even after extended operating hours. The experiments described in the same Example 1 show that cells manufactured using hydrophilic planar elements made of metals according to the teachings of the prior art are adversely affected by the slow increase in cell voltage, which adversely affects silver layers, even thicknesses. Applying a uniform layer of silver to nonmetals does not work. The stability of the cell voltage only proves comparable to one of the cells of the invention when the planar element is made of pure silver. As a further advantage, perfluorinated plastics are characterized by good mechanical properties even in the temperature range of 80 to 90 ° C. which is typical for chlor-alkali electrolysis as is known. Thus, the planar element retains its shape as before, particularly with both the ratio of pore volume to occupied volume and porosity, and as illustrated above, an elastic support or membrane-plane element-oxygen cathode-current distributor assembly. It is not squeezed by the pressure difference used to bring it into close contact.
본 발명에서는, 특히 바람직한 양태에서, 산소(또는 산소 함유 가스)가 산소 캐소드의 후방부에 위치하는 갭을 횡단하는 전지의 하부에 상방향으로 공급된다. 이러한 유형의 유동은 전지의 작동 안정성을 위해 근본적으로 중요한 것으로 여겨진다. 어떠한 산업적 용도에도 근본적으로 중요한 이러한 점을 이해하기 위해서는, 작동이 종래의 방식으로 수소 방출 캐소드를 사용하여 이루어지는지 또는 산소 캐소드를 사용하여 이루어지는지에 따라 염소-알칼리 전기분해가 두 가지 다른 전지 전압값을 특징으로 함을 주지해야 한다: 전자의 경우, 전지 전압은 약 2.5V(낮은 전류 밀도) 내지 전형적으로 3 - 3.3V(약 3 내지 5kA/㎡의 전류 밀도)인 반면에, 후자의 경우 전지 전압은 약 1.6 내지 2.2 - 2.6V의 범위이며, 초기에 논의한 바와 같이 에너지 소비를 상당히 절감시킨다. 2.2 - 2.6V에서 작동하는 것은, (설비 투자를 최소화하기 위해 공업 분야에서 요구되는 바와 같이) 전지를 최고 전류 밀도에서 작동시킬 경우에 및 특히 산소 캐소드에 삽입된 촉매의 활성이 불가피한 본질적 저하를 겪게 되는 경우에는 수 시간 후에 작동한다. 앞서 약간 언급한 바와 같이, 2.5V 이상의 전지 전압값은 특히, 구조적 이유(예를 들면, 감소된 다공성) 또는 작동 관련 이유(예를 들면, 완전 편재된 플러딩)로 인해 산소 확산이 방해되는 영역에서도 수소 방출을 가능케 한다. 따라서, 이러한 상황에서, 수소 방출 및 산소 소비는 동시에 일어나며, 수소는 불가피하게 산소와 혼합되어 캐소드의 후방부를 따라 유동하면서 잠재적으로 폭발성이 있는 혼합물을 형성한다. 이러한 위험을 방지하기 위해, 산소 중의 수소 비율(%)은 소비된 산소(또는 산소 함유 가스)의 방출부에 위치한 적당한 센서를 사용하여 모니터링해야 한다. 본 발명에서 전지의 상부에 산소를 공급하는 것을 기초로 하는 실험에서 밝혀진 바와 같이, 센서에 의해 측정된 수소 함량은 시간에 따라 심하게 변하기 쉽고, 작동 조건, 특히 전지 전압 및 전류 밀도의 함수인 수소의 효과적인 생성과 관련이 없기 때문에, 이러한 종류의 측정치는 전적으로 신뢰성이 없다. 이러한 비신뢰성은 센서의 고유 특성은 아니며, 1 내지 1.5m의 수직 전개를 나타내는 산소의 유동에 보유된 갭에서의 수소 축적의 메카니즘에 고유한 것이다. 사실상, 산소를 전지의 상부에 공급하는 경우에, 산소의 밀도보다도 수소의 밀도가 더 낮기 때문에, 수소 층화 작용이 발생한다: 간단히 말해서, 전지의 상단에서 하단으로 하방향 이동하는 산소와 상단로 상승하는 자연적인 경향이 있는 수소 사이에 역전류 흐름이 이루어진다고 할 수 있다. 이러한 상황은, 특히 저순환 영역에서, 수소가 풍부한 포켓을 용이하게 형성하므로 위험하며, 이는 작동을 전적으로 신뢰할 수 없도록 한다. 이러한 포켓의 주기적 방출은 센서에서 측정되는 방출된 산소 중의 수소 비율(%)의 변동을 가져온다. In the present invention, in a particularly preferred embodiment, oxygen (or oxygen containing gas) is supplied upwards to the bottom of the cell across the gap located at the rear of the oxygen cathode. This type of flow is considered to be of fundamental importance for the operational stability of the cell. To understand this, which is of fundamental importance for any industrial use, chlor-alkali electrolysis can be carried out with two different cell voltage values depending on whether the operation is carried out using a hydrogen emitting cathode or an oxygen cathode in a conventional manner. It should be noted that in the former case, the cell voltage is from about 2.5 V (low current density) to typically 3-3.3 V (current density of about 3 to 5 kA / m 2), while the latter is the cell voltage. Is in the range of about 1.6 to 2.2-2.6V and, as discussed earlier, significantly reduces energy consumption. Operating at 2.2-2.6V results in an inevitable inherent degradation of the activity of the catalyst inserted in the oxygen cathode and especially when the cell is operated at the highest current density (as required in the industry to minimize facility investment). If it does, it will work after several hours. As mentioned slightly above, cell voltage values of 2.5 V and above are especially true in areas where oxygen diffusion is impeded due to structural reasons (eg reduced porosity) or operational related reasons (eg fully localized flooding). Enable hydrogen release. Thus, in this situation, hydrogen release and oxygen consumption occur simultaneously, and hydrogen is inevitably mixed with oxygen to flow along the back of the cathode, forming a potentially explosive mixture. To avoid this risk, the percentage of hydrogen in oxygen should be monitored using a suitable sensor located at the outlet of the consumed oxygen (or oxygen containing gas). As found in the experiments based on supplying oxygen to the top of the cell in the present invention, the hydrogen content measured by the sensor tends to change significantly over time, and that of hydrogen as a function of operating conditions, in particular cell voltage and current density, This kind of measurement is totally unreliable because it is not associated with effective production. This unreliability is not an inherent characteristic of the sensor, but inherent in the mechanism of hydrogen accumulation in the gap retained in the flow of oxygen, representing a vertical development of 1 to 1.5 m. In fact, in the case of supplying oxygen to the top of the cell, hydrogen stratification occurs because the density of hydrogen is lower than that of oxygen: in short, the oxygen moves upward from the top to the bottom of the cell and rises to the top. The reverse current flows between hydrogen, which tends to be natural. This situation is dangerous because it easily forms hydrogen-rich pockets, especially in the low-circulation region, which makes the operation entirely unreliable. Periodic release of these pockets results in a variation in the percentage of hydrogen in released oxygen measured at the sensor.
반대로, 수소가 전지의 하부에 공급되는 경우, 수소가 상방향으로 유동하는 결과는 앞서 언급한 바와 같이 자연적으로 상승하는 수소 확산 방향과 일치한다. 사실상, 수소에는 산소-구동 드레그(oxygen-driven drag)가 도입되는데, 이는 수소 함량이 높은 포켓이 형성되는 것을 방지하는 데 매우 효과적이다. 이러한 작용의 가설은 사실상 센서에 의해 제공되는 데이타에 의해 입증되는데, 여기서는 데이타의 변동이 극히 제한된다(실시예 2 참조). 결과적으로, 감극된 캐소드가 장착된 전지의 하부에 산소를 공급하면, 실질적으로 작동 신뢰성이 증가하며, 이것은 일정하게 상단으로부터 공급하는 것을 제안한 선행 기술을 단순히 변화시킨 것은 아니라는 것이 명백하다. 하단으로부터의 공급 효율은, 예를 들면, 전지와 동일한 길이의 천공된 튜브로 이루어지고 전지의 하부와 상부에 위치한 산소의 유출구 매니폴드와 유입구 배전기를 사용함으로써 더욱 증가될 수 있다. 이러한 유형의 디자인이 도 2에 나타나 있는데, 여기에는 도 1의 전지의 정면도가 도시되어 있다. (전지의 하부에 과량으로 공급된) 산소의 유출구(14)는 내부 매니폴드(18)에 연결되어 있고, 산소의 유입구(17)는 배전기(19)에 연결되어 있으며, 이들 둘다는 천공된 튜브로 이루어지는데, 여기서 홀은 바람직하게는 하부 모선(generatrix)을 따라 편재되어 경우에 따라 응축된 상이 용이하게 방출되도록 한다. 본 발명의 두번째 특성의 추가의 개선은 높은 선 속도를 갖는 지그재그 운동을 산소 유동에 부여하기 위한 적당한 배플의 도입에 의해 이루어지는데, 이는 산소와의 균일한 혼합을 도와준다. 이러한 장치가 도 3에 도시되어 있는데, 여기서 수평 스트립 형상의 배플은 (20)으로 표현되어 있다. 가스 유동 방향은 화살표로 나타나 있다. 스트립(20)은 이의 표면에 분리되어 있는 응축물의 방출을 촉진시키기 위한 약간의 홀이 있으나, 도면에 도시되어 있지는 않다. 홀의 전체 부분은 각각의 스트립의 말단 부분과 전지의 외연 사이에 존재하는 유동 부분(21)보다 적어도 1차수 더 낮다. In contrast, when hydrogen is supplied to the bottom of the cell, the result of the hydrogen flowing upwards coincides with the naturally rising hydrogen diffusion direction as mentioned above. In fact, hydrogen is introduced with oxygen-driven drag, which is very effective in preventing the formation of high hydrogen content pockets. The hypothesis of this behavior is actually evidenced by the data provided by the sensors, where the variation of the data is extremely limited (see Example 2). As a result, it is evident that supplying oxygen to the lower part of the cell equipped with the polarized cathode substantially increases the operational reliability, which is not simply a change of the prior art proposed to supply constantly from the top. Supply efficiency from the bottom can be further increased, for example, by using an inlet distributor and an outlet manifold of oxygen consisting of perforated tubes of the same length as the cell and located at the bottom and top of the cell. This type of design is shown in FIG. 2, which shows a front view of the cell of FIG. 1. The
최종적으로, 산소 유동 부분, 바람직하게는 도 3의 양태의 (22)부분에는 다공성 매스(23)를 유리하게 삽입할 수 있다. 다공성 매스는 고도의 다공성 재료로 이루어지고, 가스 유동에 대한 내성이 낮은 것을 특징으로 하며, 수소-산소 재결합을 촉진시킬 수 있는 촉매 필름, 예를 들면, 백금 자체 및 팔라듐과 같은 적당량의 백금족 금속이 표면에 제공되어 있다. 이러한 양태를 사용하면, 높은 가스 혼합의 목적이 달성되는 것 뿐만 아니라, 유리 수소의 비율(%)도 이와 함께 감소된다. 따라서, 발생하는 수소의 양이 관련되는 최대한 안전한 조건에서 산소 캐소드가 장착된 전지를 작동시킬 수 있고, 본 발명에 따라 수득된 최적 혼합의 경우에도 불안정한 혼합물을 형성할 수 있다. Finally, the
본 발명은 산소 캐소드를 사용한 염소-알칼리 전기분해를 인용하여 기재하였는데, 그 이유는 산업적 관련성이 보다 큰 분야이기 때문이다. 초기에 언급한 바와 같이, 본 발명은 다른 공정, 예를 들면, 미국 특허 제4,561,945호에 기재한 바와 같이 종래의 산소 방출 애노드 대신에 수소 소비 애노드를 사용하는 알칼리성 설페이트의 전기분해에도 유용하다. 이 경우에, 상기한 특성들을 갖는 평면 소자는 막과 수소 소비 애노드 사이에 개재시키고, 알칼리성 설페이트를 임의로 함유하는 황산의 삼투 용액이 이를 횡단하도록 한다. 또한, 염소-알칼리 전기분해에서 논의한 바와 전적으로 유사한 방식으로, 산소가 국소적으로 농후화되고 애노드 부산물이 침체 영역에 농후화되는 것을 방지하기 위해 수소를 전지의 하부에 공급한다. 알칼리성 연료 전지에도 추가로 적용할 수 있다. The present invention has been cited with reference to chlorine-alkali electrolysis using oxygen cathodes, since this is a field of greater industrial relevance. As mentioned earlier, the present invention is also useful for the electrolysis of other processes, for example alkaline sulfates using hydrogen consuming anodes instead of conventional oxygen releasing anodes as described in US Pat. No. 4,561,945. In this case, a planar device with the above characteristics is sandwiched between the membrane and the hydrogen consuming anode, and allows the osmotic solution of sulfuric acid, optionally containing alkaline sulfate, to cross it. Also, in a manner very similar to that discussed in chlor-alkali electrolysis, hydrogen is supplied to the bottom of the cell to prevent oxygen from being locally enriched and anode byproducts from thickening in the stagnation zone. It is further applicable to alkaline fuel cells.
실시예 1Example 1
당해 실시예의 데이타는 도 1의 도면에 따라 제조한 몇 가지 전지를 사용하여 실험실에서 입수하였다. 특히, 각 전지는 높이가 100cm이고 폭이 10cm이며 2개의 쉘, 즉 각각 티탄과 니켈로 이루어진 애노드 쉘(2)과 캐소드 쉘(7)을 갖는다. 추가로, 경질 지지체(4) 상에 지지된 애노드(3)는 티탄, 이리듐 및 루테늄 산화물을 포함하는 염소 방출용 전기촉매 필름이 제공된 장사방형 개구부(대각선 = 4mm ×8mm)를 갖는 1mm 두께의 티탄 평판화 연신된 메쉬로 이루어진다. 전류 배전기(11)는 2부분으로 이루어지는데, 둘 다 장사방형 개구부(대각선 = 4mm ×8mm)를 갖는 1mm 두께의 니켈 연신된 메쉬를 포함하며 가요성 지지체(12)에 고정되어 있고 작은 장사방형 개구부(대각선 = 2mm ×4mm)를 갖는 0.5mm 두께의 연신된 제2 니켈 메쉬에 용접되어 있으며 아연 도금에 의해 10㎛의 은으로 피복되어 산소 캐소드에 낮은 전기 저항을 갖는 다수의 적합한 접촉점을 보장한다. 산소 캐소드는, 테트라플루오로에틸렌 입자와 1:1 중량으로 혼합되어 있는, 산소 환원에 적합한 촉매 입자(총 20g/㎡의 은의 경우, 불칸 XC-72 카본 상의 20% 은)의 층이 한면에 도포되어 있고, 테트라플루오로에틸렌 입자와 1:1 중량으로 혼합되어 있는 SAB 카본 입자의 제2 층이 또 다른 한면에 도포되어 있는(이들은 모두 330℃에서 소결되고 최종 두께가 0.5mm이다) 80메쉬 은 와이어 네트(0.2mm 직경)를 포함한다. The data for this example was obtained in the laboratory using several cells prepared according to the drawings of FIG. 1. In particular, each cell is 100 cm high and 10 cm wide and has two shells, an
평면 소자는 1mm 직경의 와이어에 의해 형성된 메쉬로 이루어지며, 중첩되고 용접되어 장사방형 개구부(대각면 = 5mm ×10mm)를 형성하는데, 각각 폴리테트라플루오로에틸렌, 본 발명에 따르는 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 비교용으로서 선행 기술에 따라 10micron의 은 및 순수한 은으로 피복된 니켈을 사용하여 제조된 총 두께가 약 2mm인 양면의 연속 채널을 특징으로 한다. The planar element consists of a mesh formed by wires of 1 mm diameter and is superimposed and welded to form a rectangular opening (diagonal surface = 5 mm x 10 mm), each of polytetrafluoroethylene, high density polyethylene and polypropylene according to the present invention. , For comparison, is characterized by a two-sided continuous channel having a total thickness of about 2 mm prepared using nickel coated with 10 micron silver and pure silver according to the prior art.
두 가지 쉘, 즉 애노드 쉘(2)과 캐소드 쉘(7)이 적당한 타이-로드에 의해 고정되어 있는 경우, 애노드 전류 배전기(11)가 가요성 지지체(12)에 의해 떠밀려 애노드-막(나피온 N2010WX 유형)-평면 소자-산소 캐소드 조립체에 약 300g/㎠의 압력을 가한다. When two shells, the
약 20% 염화나트륨 용액은 전지의 애노드 구획에서 유동하고, 반면에 32% 가성 소다의 용액은 약 25ℓ/hr의 일정한 유속으로 평면 소자를 따라 삼투된다. 최종적으로, 전지의 상부에는 반응에 필요한 것보다 10% 과량으로 순수 산소가 공급된다. 잔류 산소는 적당한 노즐(도 1의 17)을 통해 전지의 하부로부터 방출된다. 85℃의 온도와 400Amp(4000A/㎡)로 조절된 전류에서는, 2일로 정해진 시간 후에, 실제로 평면 소자의 유형에 무관하게 검지한 전지 전압이 2.30V였다. 그러나, 작동시킨지 42일 후에, 폴리테트라플루오로에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 순수 은으로 이루어진 평면 소자가 장착된 전지는 변하지 않은 반면, 은으로 피복된 니켈 네트를 포함하는 전지의 경우에는 1일당 약 30 내지 40mV 정도 증가하는 경향을 나타냈다. 2.5V에서는, 작동을 중지시키고, 전지를 검사한 바, 막이 갈색 착색을 나타내었다. 후속의 분석에서, 막이 상당량의 니켈을 함유한 것으로 나타났다. 작동시킨지 약 50일 후에는, 삼투하는 가성 소다 유속의 급속한 감소가 수반되어, 폴리프로필렌 평면 소자를 함유하는 전지의 전압이 급속하게 증가하는 것으로 검지되었다. 전지의 개폐 이후에 수행한 검사에서는 평면 소자의 상당한 압착이 검지되었는데, 이는 아마도 중합체 쇄의 3급 탄소원자에 대한 미량의 과산화물의 부식작용에 의해 야기되는 폴리프로필렌 평면 소자의 막대한 균열에서 기인된다. 이러한 열화에 의해, 가성 소다가 삼투하는 이용 가능한 부분을 상당히 감소시켰다. About 20% sodium chloride solution flows in the cell's anode compartment, while a solution of 32% caustic soda is osmosis along the planar element at a constant flow rate of about 25 l / hr. Finally, pure oxygen is supplied to the top of the cell in a 10% excess than required for the reaction. Residual oxygen is released from the bottom of the cell through a suitable nozzle (17 in FIG. 1). At a temperature of 85 DEG C and a current regulated at 400 Amp (4000 A / m < 2 >), after a period of two days, the cell voltage actually detected regardless of the type of planar element was 2.30 V. However, after 42 days of operation, a cell equipped with a planar element consisting of polytetrafluoroethylene, high density polyethylene, polypropylene, and pure silver did not change, whereas 1 for a cell containing a nickel net coated with silver There was a tendency to increase by about 30 to 40 mV per day. At 2.5 V, the operation was stopped and the cell was inspected and the membrane showed brown coloration. Subsequent analysis showed that the membrane contained a significant amount of nickel. After about 50 days of operation, it was detected that the osmotic caustic soda flow rate was rapidly reduced, resulting in a rapid increase in the voltage of the cell containing the polypropylene planar element. Inspections performed after the opening and closing of the cell detected a significant compression of the planar element, possibly due to the enormous cracking of the polypropylene planar element caused by the corrosive action of traces of peroxide on the tertiary carbon atoms of the polymer chain. This degradation significantly reduced the available portion of caustic soda osmosis.
고밀도 폴리에틸렌 평면 소자가 장착된 전지를 작동시킨지 72일째에 수행한 검사에서는 삼투하는 가성 소다의 유속에 영향은 없지만 상당한 압착을 나타냈다.Testing conducted on day 72 of the operation of the cell equipped with the high density polyethylene planar device showed significant compression but no effect on the osmotic caustic soda flow rate.
폴리테트라플루오로에틸렌과 은으로 이루어진 평면 소자가 장착된 전지는 224일까지 작동하였으며, 전반적인 전압 증가는 20 내지 30mV였고, 가성 소다 삼투의 유속은 쉽게 알아볼 수 있을 정도의 변화는 없었다. 육안 검사시, 각종 부분에서 비정상적인 것은 보이지 않았다. 후속의 분석에서, 막은 무색으로 보이며, 염화나트륨 용액으로부터 비롯된 소량의 칼슘과 마그네슘 및 단지 무시해도 좋을 정도로 미량의 니켈을 함유하는 것으로 나타났다. The cell equipped with a planar element made of polytetrafluoroethylene and silver operated up to 224 days, the overall voltage increase was 20-30 mV, and the flow rate of caustic soda osmosis was not readily recognizable. On visual inspection, no abnormalities were seen in various parts. In subsequent analysis, the membrane appeared colorless and contained a small amount of calcium and magnesium and only negligible traces of nickel from the sodium chloride solution.
실시예 2Example 2
당해 실시예의 시험은 전기촉매로서 사용되는 은의 함량을 10g/㎡로 제한하는 것을 제외하고는 본 발명에 따르는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 평면 소자가 장착된 실시예 1의 전지를 사용하여 실시하였다. 이의 목적은, 작동을 개시한 후에, 순환하는 가성 소다에 함유된 불순물 및/또는 폐쇄 및 후속 개시에 의해 야기되는 촉매 변화(촉매 입자 크기를 변화시키는 용해/재침착 현상)에 의한 불가피한 촉매 독성화의 결과로서 시간에 따라 증가하는 불충분한 활성 상태를 재현시키는 것이었다. The test of this example was carried out using the battery of Example 1 equipped with a planar element made of polytetrafluoroethylene according to the invention, except that the content of silver used as the electrocatalyst was limited to 10 g /
실시예 1에 제시된 조건에서, 특히 4000Amp/㎡의 전류 밀도를 사용하여 작동시킨 바, 2.6V의 안정한 전압이 검지되었다. 이러한 상황에서, 본 발명에 따라 전지의 하부로부터 산소를 공급한 경우와 선행 기술에 기재된 바와 같이 상부로부터 산소를 공급한 경우의 둘 다에서 방출된 산소 중에 함유된 수소의 분석을 실시하였다. Under the conditions shown in Example 1, a stable voltage of 2.6 V was detected, in particular when operated using a current density of 4000 Amp /
전자의 경우에는 상당히 안정한 470ppm의 용적 농도(최대 변동 약 50ppm)가 검지된 반면, 후자의 경우에는 4000 내지 5000ppm을 피크로 하여 변동하는, 다소 크지 않은 농도, 예를 들면, 약 50ppm이 검지되었다. 수소가, 상이한 산소 확산을 특징으로 하는 제한된 연장 영역에서 주로 생성되고 하부로 유동하는 산소 흐름이 전지의 상부로 확산하는 수소의 자연적인 경향과는 반대되는 것을 전제로 하여, 이러한 거동을 설명할 수 있다. 이러한 상황은 수소가 풍부한 포켓의 형성을 야기할 수 있어, 작동 안전성에 대해 잠재적으로 매우 위험할 수 있다. 국부적인 수소 농후화 가능성은 자연적인 수소 확산 방향과 실질적으로 일치하도록 산소의 상방향 유동을 본 발명에 따라 작동시킴으로써 확실히 제거된다. In the former case, a fairly stable volume concentration of 470 ppm (maximum fluctuation about 50 ppm) was detected, while in the latter case a rather small concentration, for example about 50 ppm, fluctuating with a peak of 4000 to 5000 ppm was detected. This behavior can be explained on the assumption that hydrogen is produced mainly in a limited extension region, characterized by different oxygen diffusions, and that the downward flowing oxygen flow is opposed to the natural tendency of hydrogen to diffuse to the top of the cell. have. This situation can lead to the formation of hydrogen-rich pockets, which can potentially be very dangerous for operational safety. The local hydrogen enrichment potential is certainly eliminated by operating the upward flow of oxygen in accordance with the present invention to substantially coincide with the natural hydrogen diffusion direction.
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